Vida em fadiga isotérmica e termomecânica de ferros fundidos cinzento classe 300 e vermicular classe 500

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Bon, Douglas Geovanni
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: cabeçote de motor; compacted graphite cast iron; cracks; cylinder head; fadiga isotérmica; fadiga termomecânica; ferro fundido cinzento; ferro fundido vermicular; gray cast iron; isothermal fatigue; thermomechanical fatigue; trincas
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-25082020-095014/

Em busca de motores a combustão de maior eficiência energética, as indústrias de motores diesel têm incentivado pesquisas buscando, simultaneamente, a redução de peso e o aumento da potência, visando as principais demandas de sustentabilidade exigidas pelas políticas ambientais vigentes, como por exemplo, a redução da emissão de gases e particulados de carbono para a atmosfera. Partes dos motores diesel, como o bloco de cilindros e o cabeçote, são submetidos a altos níveis de tensão, resultantes da restrição mecânica dos componentes em conjunto ao gradiente térmico gerado pelo acionamento e parada do motor. Essas tensões podem induzir a nucleação de trincas localizadas e com o tempo, por propagação destas, levar a falha do componente. O fenômeno que descreve todo esse conjunto de fatos é conhecido como fadiga termomecânica (FTM). Com a crescente adição de torque aos motores, resultante da elevação da temperatura e pressão dentro do bloco de cilindros e cabeçote, aumentou-se a taxa de propagação de trincas no material que constitui estas partes do motor e consequentemente, a redução da vida útil do componente. O objetivo do presente estudo é analisar a vida em fadiga isotérmica e termomecânica, identificar os micromecanismos de dano sob condições de FTM em novas ligas de alta resistência, de ferros fundidos cinzento classe 300 e vermicular classe 500, ligas processadas para serem alternativas de maior resistência mecânica na fabricação de blocos e cabeçotes de motores. Para isso, os ensaios de FTM simulam o ciclo térmico gerado no cabeçote do motor, por conta da ignição-operação-desligamento, em condições laboratoriais. Após a ignição, a temperatura atinge subitamente em torno de 420ºC, permanecendo nesta faixa durante a operação e após a parada do motor, retorna para a temperatura ambiente. Essa elevação brusca na temperatura causa deformações plásticas localizadas no material e com o posterior resfriamento do motor, tensões trativas são geradas. A complexidade da geometria do cabeçote torna o componente mais vulnerável a nucleação de trincas por fadiga, do que na maioria dos casos. Estas trincas estão entre as válvulas de admissão e exaustão, levando a falha do componente. Foram conduzidos ensaios de fadiga isotérmica por controle de deformação, com a imposição de uma deformação mecânica variável (ciclos de amplitude constante) em uma temperatura constante, em amostras dos dois ferros fundidos. Os ensaios de fadiga termomecânica fora-de-fase foram realizados nas amostras dos dois ferros fundidos, submetidas a ciclos térmicos em forma de onda trapezoidal com temperaturas mínimas e máximas de 50ºC a 420ºC, variando as condições de restrição mecânica. Os resultados nos mostram que a diferença de resistência mecânica e vida em fadiga do FFC 300 para o FFV 500 está relacionada às diferenças na morfologia, tamanho e distribuição das células de grafita, pois em ambos, as matrizes são perlíticas. No FFV 500, por conta do refinamento das células de grafita presentes, partículas de grafita mais espessas e com extremidades mais arredondadas, o processo de nucleação e propagação de trincas pela matriz é dificultado, propiciando maior resistência mecânica e vida em fadiga em comparação com o FFC 300.